JPWO2017056233A1 - 永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

永久磁石モータの固定子に形成されたシュー接続幅が固定子鉄心を構成するコア片の厚み以下であり、回転子に埋設された平板形状の永久磁石の長辺の長さＷｍ、短辺の長さＴｍ、前記回転子外周から前記永久磁石までの最大距離Ｇｍとした時に、０．７≦Ｗｍ／(Ｔｍ×Ｇｍ)≦３．３なる関係を満たす形状とすることで、トルクリップルを低減できることを見出した。

Description

この発明は、永久磁石モータに関し、特に、回転子に永久磁石を埋設した、永久磁石埋設型モータに関するものである。

この種の永久磁石埋設型モータでは、回転子の内部に複数の永久磁石が回転子の周方向に隣り合うように埋設されており、回転子の周方向に隣り合う一対の永久磁石の磁極が互いに異なるようにしてある。隣り合う一対の永久磁石の間の磁極の切替わり部付近には急激な磁束密度変動が発生するため、トルクリップルが生じ、これが振動、騒音をもたらす。
このトルクリップルを軽減するためには様々な方法があるが、例えば特許文献１に示されるように、永久磁石間の磁極の切替わる部分の回転子外周面の所定の位置に凹凸状部などを形成していた。

特許第５４３４４１５号公報

従来の永久磁石モータでは、例えば上述したような構成でトルクリップルを軽減していたため、エアギャップに面するロータコア外径が金型摩耗などで変化した場合、ステータ内径に直接対向するロータ表面が変化するのでトルクリップルが大きく変化する課題がある。このため、製造工程でのばらつきがトルクリップルに影響することを抑制するには、ステータ内径に直接対向していない、ロータ内部の磁石位置などでトルクリップルを低減する必要がある。

この発明に係わる永久磁石モータは、複数のティースを有する環状のコア片を積層した固定子鉄心、複数のティース間に形成されたスロットに収められた巻線を有する電機子を備えた固定子と、この固定子内に磁気的空隙を介して配置され、回転軸を中心に回転し、断面が平板形状の永久磁石が埋設された回転子とを備え、ティースの回転子側先端部に設けられた鍔部と前記鍔部のそれぞれが前記固定子の周方向に接続される接続部を有し、この接続部の幅がコア片の厚み以下であると共に、埋設された永久磁石の長辺の長さをＷｍ、短辺の長さをＴｍ、回転子外周から永久磁石までの最大距離がＧｍである場合に、
０．７≦Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）≦３．３
であることを特徴とする。

この発明の永久磁石モータによれば、接続部の幅と永久磁石の大きさを調整することにより、トルクリップルを軽減できる。

この発明の実施の形態１による永久磁石モータの固定子１０の断面図である。 この発明の実施の形態１による永久磁石モータの固定子１０の２段スキューを施した側の断面図である。 この発明の実施の形態１による永久磁石モータの回転子の断面図である。 この発明の実施の形態１の永久磁石の減磁率を表したグラフである。 この発明の実施の形態１においてＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値をモータの仕様ごとにプロットした分布図である。このうち、図５Ａは、シュー接続幅１８が０．１２５ｍｍの際の各モータ仕様のＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値の分布図であり、図５Ｂは、シュー接続幅１８が０．３２６ｍｍの際の各モータ仕様のＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値の分布図であり、図５Ｃは、シュー接続幅１８が０．３５０ｍｍの際の各モータ仕様のＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値の分布図である。 この発明の実施の形態１のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を、図５のモータ仕様において示したグラフである。このうち、図６Ａは、図５のモータ仕様のうち、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最小値となるモータ仕様のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を示すグラフであり、図６Ｂは、図５のモータ仕様のうち、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が平均値となるモータ仕様のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を示すグラフであり、図６Ｃは、図５のモータ仕様のうち、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最大値となるモータ仕様のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を示すグラフである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石モータの固定子１０の断面図である。固定子１０は電機子巻線１１、電機子巻線１２、及び固定子鉄心１３から構成されている。

固定子鉄心１３は、打ち抜いて作成された電磁鋼板などの磁性体のコア片を軸方向に積層して形成され、環状のコアバック１４と、コアバック１４から周方向内側に延びるティース１５から構成される。隣り合うティース１５の間に形成されたスロット１６に電機子巻線１１、１２が納められる。電機子巻線１１、１２とスロット１６を形成する固定子鉄心１３との間には、絶縁紙等（図示せず）が挿入され、電気的絶縁を確保している。

ティース１５は、全部で４８個形成されており、従ってスロット１６も４８個形成されている。スロット１６のそれぞれには、電機子巻線１１、１２のコイルが４本ずつ納められている。ティース１５の先端は、接続部１７によりスロット１６より内径側で互いに接続されている。

電機子巻線１１は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３相から構成され、電機子巻線１２は、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の３相から構成されている。電機子巻線１１，１２のスロット１６への配置は、１番目のスロットから６番目のスロットまで、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｗ１相、Ｗ２相、Ｖ１相、Ｖ２相の順に配置される。７番目のスロット以降も、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｗ１相、Ｗ２相、Ｖ１相、Ｖ２相の順に配置され、４８番目まで同様の順に配置されている。但し、１番目のスロットに配置されたＵ１相のコイルに流れる電流の向きと、７番目のスロットに配置されたＵ１相のコイルに流れる電流の向きが互いに逆になるように接続されている。即ち、１番目のスロットから７番目のスロットに巻かれた分布巻の構成となり、電機子巻線１１、１２は計６個のティース１５を跨いでいる。これは電気角１８０度に相当し、短節巻係数が１となる。

さらに、電機子巻線１１、１２は互いに電気角３０°の位相差があり、分布巻係数が１となるため、全体の巻線係数も１となり、小型高トルクのモータを構成する。従って、巻線係数が小さいモータに比べ、起電力を大きくでき、低コスト化が実現できる。

また、図２のように、固定子鉄心１３ａは、軸方向の積層の半分から、ティース１５の先端形状がティース１５の中心軸に対称となる形状を有する固定子鉄心１３ａが積層されている。すなわち、固定子鉄心１３は２段スキューを施されており、例えば機械角１．８７５度付近の２段スキューを施した場合、トルクリップルの機械角９６次成分を小さくすることができる。

ティース１５の先端の接続部の径方向の幅（以下、シュー接続幅と称す）１８が広くなると、漏れ磁束が増加してトルクが低下するので、シュー接続幅１８は狭い方がモータの小型化には効果的である。

図３はこの発明の実施の形態１における永久磁石モータの回転子２０の断面図である。
回転子２０は、回転子鉄心２１と回転子鉄心２１の内部に埋設された永久磁石２２とからなり、固定子１０の内側で、固定子１０との間に磁気的空隙を介して配置される。永久磁石２２は、ネオジウム、鉄、ボロンから構成されるネオジウム希土類磁石であり、周方向を長辺（Ｗｍ）、径方向の厚みを短辺（Ｔｍ）とした長方形の断面を有する直方体形状に形成され、回転子２０の回転軸２３を中心とし、回転対称になるように、周方向に等間隔に８個並べられ、８極の構成となっている。ディスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）のような、保磁力を改善する高価な重希土類元素を添加していないので、磁石の低コスト化が実現できる。さらに、ネオジウム希土類磁石を使用した永久磁石埋設型モータの構成により、マグネットトルクが大きく、リラクタンストルクを活用でき、単位長さあたりのトルクの大きな小型かつ軽量なモータを提供できる。また、回転子鉄心２１を、回転軸２３に対し、真円の半径よりも小さな半径を有する花丸形状とすることによってトルクリップルを低減できる。

回転子鉄心２１は、固定子鉄心１３と同様、２段スキューを施されているが、形状の同じ回転子鉄心を２段に積層している。例えば機械角３．７５度付近の２段スキューを施した場合、トルクリップルの機械角４８次成分を小さくすることができる。このように、固定子１０と回転子２０のそれぞれに２段スキューを施すことで、２つの特定されるトルクリップル次数を低減できるが、スロット数の大きな固定子１０よりも、回転子２０の２段スキューの角度を大きくした方が、固定子鉄心１３のティース１５の先端幅やスロット面積を小さくすることを回避できる。

図４は、常温での保磁力が２１ｋＯｅ以上の重希土類元素を添加していないネオジウム希土類磁石の減磁率を表したグラフである。横軸は短辺Ｔｍ（ｍｍ）であり、磁石の厚みを表す。グラフからわかるように、Ｔｍが２．１ｍｍを超えると、急激に減磁率が悪化する。減磁によるトルク低下を抑えるには、Ｔｍ≧２ｍｍの範囲で適用すればよいが、電動パワーステアリング用モータでは、緊急回避操舵などでは高回転数でのアシストトルクが要求されるため、Ｔｍが大きい（磁石厚みが厚い）とモータ回転数が低下することから、Ｔｍは２．１ｍｍに近い大きさとすることが望ましい。

上述したように、固定子鉄心１３または回転子鉄心２１にスキューを施すことにより、４８次、９６次の２つの特定されるリップル次数を低減できるが、さらにトルクリップルを低減するための構造を以下に詳述する。
図５は、平均トルクに対するトルクリップル変動が０．５％以下を満たす条件で、前述したように、磁石の長辺の長さをＷｍ（ｍｍ）、短辺をＴｍ（ｍｍ）、回転子鉄心と長辺までの埋込深さの最大深さをＧｍ（ｍｍ）とした３つのパラメータで磁界解析を行い、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値をモータの仕様ごとにプロットした分布図である。横軸は前記条件を満たすモータ仕様１つ１つであり、個々のモータ仕様に対して、縦軸に示したＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値をプロットしている。図５Ａはシュー接続幅１８が０．１２５ｍｍの場合、図５Ｂはシュー接続幅１８が０．３２６ｍｍの場合、図５Ｃはシュー接続幅１８が０．３５０ｍｍの場合を示す。図５Ａから図５Ｃのそれぞれで、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が１．０から３．０の付近に分布していることがわかる。

図６は図５のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を、モータの１仕様において示したグラフであり、図６Ａは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最小値となるモータの１仕様、図６Ｂは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が平均値となるモータの１仕様、図６Ｃは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最大値となるモータの１仕様をそれぞれプロットしている。シュー接続幅１８が大きいとティース間の漏れ磁束が大きくなるため、シュー接続幅は小さくすることがモータ小型化には望ましいが、図６に示す通り、電動パワーステアリング用モータで、積層されるコア片の板厚０．５ｍｍに対し、シュー接続幅１８が小さいほど、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が大きくなる相間関係が見られ、シュー接続幅１８が０．５ｍｍ以下の場合は、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）が０．７以上３．３以下とすることで、トルクリップルの主成分である４８次、９６次のトルクリップル成分を０．５％以下とすることができ、トルクリップルの小さなモータを実現することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０ 固定子、１１、１２ 電機子巻線、１３ 固定子鉄心、１４ コアバック、１５ ティース、１６ スロット、１７ 接続部、１８ シュー接続幅、２０ 回転子、２１ 回転子鉄心、２２ 永久磁石、２３ 回転軸

また、図２のように、固定子鉄心１３は、軸方向の積層の半分から、ティース１５の先端形状がティース１５の中心軸に対称となる形状を有する固定子鉄心が積層されている。すなわち、固定子鉄心１３は２段スキューを施されており、例えば機械角１．８７５度付近の２段スキューを施した場合、トルクリップルの機械角９６次成分を小さくすることができる。

図６は図５のシュー接続幅１８とＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値との関係を、モータの１仕様において示したグラフであり、図６Ａは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最小値となるモータの１仕様、図６Ｂは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が平均値となるモータの１仕様、図６Ｃは、シュー接続幅１８に対するＷｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が最大値となるモータの１仕様をそれぞれプロットしている。シュー接続幅１８が大きいとティース間の漏れ磁束が大きくなるため、シュー接続幅は小さくすることがモータ小型化には望ましいが、図６に示す通り、電動パワーステアリング用モータで、積層されるコア片の板厚０．５ｍｍに対し、シュー接続幅１８が小さいほど、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）の値が大きくなる相関関係が見られ、シュー接続幅１８が０．５ｍｍ以下の場合は、Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）が０．７以上３．３以下とすることで、トルクリップルの主成分である４８次、９６次のトルクリップル成分を０．５％以下とすることができ、トルクリップルの小さなモータを実現することができる。

Claims (3)

1. 複数のティースを有する環状のコア片を積層した固定子鉄心、前記複数のティース間に形成されたスロットに収められた巻線を有する電機子を備えた固定子と、前記固定子内に磁気的空隙を介して配置され、回転軸を中心に回転し、断面が平板形状の永久磁石が埋設された回転子とを備えた永久磁石モータであって、前記ティースの前記回転子側先端部に設けられた鍔部と前記鍔部のそれぞれが前記固定子の周方向に接続される接続部を有し、前記接続部の幅が、前記コア片の厚み以下であると共に、前記永久磁石の長辺の長さをＷｍ、短辺の長さをＴｍ、前記回転子外周から前記永久磁石までの最大距離がＧｍである場合に、１．７≦Ｗｍ／（Ｔｍ×Ｇｍ）≦３．３
   であることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 前記回転子は２段スキューが施された回転子鉄心で構成されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石モータ。
3. 前記永久磁石は、短辺の長さＴｍが２ｍｍ以上であり、重希土類元素が添加されていないことを特徴とする請求項１または2記載の永久磁石モータ。

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